EP1667302B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines fehlerhaften Stromes oder einer fehlerhaften Spannung und Abschaltung der Versorgungsspannung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines fehlerhaften Stromes oder einer fehlerhaften Spannung und Abschaltung der Versorgungsspannung Download PDF

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EP1667302B1
EP1667302B1 EP20050026287 EP05026287A EP1667302B1 EP 1667302 B1 EP1667302 B1 EP 1667302B1 EP 20050026287 EP20050026287 EP 20050026287 EP 05026287 A EP05026287 A EP 05026287A EP 1667302 B1 EP1667302 B1 EP 1667302B1
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EP
European Patent Office
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interruption means
variable
monitored
load
voltage
Prior art date
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EP20050026287
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EP1667302A3 (de
EP1667302A2 (de
Inventor
Horst Nikolai
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Bosch Rexroth AG
Original Assignee
Bosch Rexroth AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/04—Details with warning or supervision in addition to disconnection, e.g. for indicating that protective apparatus has functioned
    • H02H3/044—Checking correct functioning of protective arrangements, e.g. by simulating a fault
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/05—Details with means for increasing reliability, e.g. redundancy arrangements

Definitions

  • the invention derives from the field of electrical circuit technology and describes a method for monitoring the supply voltage of a consumer and a device for carrying out the method.
  • Circuitry for shutdown in case of overcurrent or overvoltage to protect a connected load are known in principle.
  • Such an arrangement shows, for example, the German patent DE 2504648 C2 . If such circuits for monitoring consumers in safety technology, for example, used for safety controllers, they would not meet the very high demands placed on the operational readiness and reliability there.
  • Such devices must meet the relevant standards and are certified by certification bodies, such as the TÜV.
  • the publication US 5,956,218 A relates to a residual current circuit breaker with automatic monitoring device and each a summation current transformer, a magnetic release and a switching mechanism with two main power contacts, wherein a first main current contact for a first power line and a second main power contact for a second power line is provided. These two main power contacts are always operated together by a plunger of the magnetic release, so that either always both main power contacts are opened or closed simultaneously.
  • a bypass is connected in parallel to the derailleur - the switchgear and bypass are alternately austenbar and monitored. The bypass can not be activated by overcurrent or voltage.
  • the publication US 5 742 513 A relates to a method and system for automatically testing a relay. If an error is detected in this case, a protective relay transmits a corresponding signal to a circuit breaker via a supply line. These circuit breakers serve as switches that prevent the detected fault from propagating, potentially causing more damage. However, the circuit breakers are to be switched by the one signal simultaneously.
  • the object relating to the method is achieved by checking the functioning of the interrupting means during the operation of the consumer. This can be a faulty monitoring of the power supply of the Consumer safely detected during operation and a defect of an interruption means (switch / contactors / power semiconductors) are signaled early.
  • the interruption means are checked in accordance with a precedence, so that upon detection of a faulty interruption means due to the ranking a simple and immediate assignment is possible.
  • an error indication and / or a secure state is brought about.
  • the error indication alerts the operator at an early stage, so that countermeasures or repairs can be initiated.
  • the achievement of a safe state is effected by the removal of the consumer from the network, so that in any case avoids that an overvoltage reaches the consumer, or an overcurrent situation persists.
  • the safe state must always be designed so that the consumer is not harmed.
  • the monitoring process is also monitored, for example by means of a hardware or software watchdog, so that a failure of the monitoring - for whatever reason - can be reliably detected. This causes an additional increase in reliability.
  • the object relating to the device is achieved in that two interrupting means are connected in parallel and each interrupting means is controlled by a comparison means, wherein control means are provided to the Manually open interrupt means and a status message is provided to detect the state of the interrupt means.
  • the parallel arrangement of switches or other means for interrupting an electrical contact causes a redundant path to supply the consumer arises.
  • the comparison means for example operational amplifiers connected as comparators, allow the comparison of the quantity to be monitored (current / voltage) with the aid of a reference variable, for example a reference voltage or a reference current. Depending on the result of the comparison, an action can be started via the output signal of the comparison means.
  • a reference variable for example a reference voltage or a reference current.
  • an action can be started via the output signal of the comparison means.
  • the manual control possibility causes an interruption means can also be operated without actually existing fault.
  • an independent reference voltage is provided for each comparison means, thus ensuring that in case of failure of a reference voltage and thus a branch nor the second branch is used to bridge, for example, a no longer controllable interruption means.
  • each branch of the above-mentioned parallel connection comprises a series connection of a first interrupting means with a first comparing means and a second interrupting means with a second comparing means. If an interruption means fails within a branch and no longer be able to disconnect the consumer from the grid, this can still be ensured by means of the second interruption means due to the series connection.
  • the first interrupting means changes its state in accordance with a hysteresis depending on the course of the supply voltage
  • the second interrupting means keeping the last switching state independent of the course of the supply voltage.
  • the hysteresis can be realized for example by means of a Schmitt trigger and the maintenance of the last switching state by means of a self-holding circuit.
  • the hysteresis covers a certain tolerance range, in which the quantity to be monitored may move without causing a shutdown of the consumer.
  • the self-hold circuit avoids that once a consumer is shut down again automatically reconnected to the network, before a troubleshooting has occurred.
  • the self-hold circuit also prevents swinging of the supply voltage between the lower and upper threshold of the Schmitt trigger.
  • each comparison means again comprises two or more comparators, wherein the comparators are connected in parallel and use a common - or different or more identical - reference voltages and each comparator has its own Control input comprises, so that the corresponding switching means can be controlled manually either by means of the first or the second or N-th comparator.
  • a central power supply which supplies the supply voltage for generating various other voltages to be monitored, already be switched off even if one of the two supply voltages exceeds or falls below their allowable tolerances. If the latter case is also to be covered, the simple comparator circuit must be replaced by means of a window comparator circuit.
  • control logic for controlling the control inputs is provided, this control logic is preferably programmable.
  • the control logic can be realized by means of a programmable hardware (EPLD, FPGA, etc.) or by means of a microprocessor.
  • the microprocessor has the advantage that the control program can be easily changed, while changes in a programmable hardware go hand in hand with greater effort. If the control logic additionally detects the state of the interruption means by means of the statute outputs, it can evaluate the test result simultaneously and influence the course of the test depending on the result of this evaluation.
  • the reference voltage and the input voltage or other conceivable voltages of the comparison means are digitized and additionally monitored.
  • the monitoring could for example be done by means of a computer program.
  • Safety controllers are subject to very strict standards and high requirements with regard to operational safety.
  • the invention contributes to meeting these requirements.
  • FIG. 1 illustrated circuit example illustrated schematically.
  • FIG. 1 only the components relevant to the invention are shown. It goes without saying that the used To connect electronic components still according to their data sheets and operate with appropriate supply voltages.
  • FIG. 1 shows a two-channel monitoring for two generated from a common supply voltage VCC_HOST operating voltages 16 for a consumer 10, the switches 11 are monitored online to interrupt the supply voltage VCC_HOST. Online in this context means that the monitoring takes place while the consumer 10 is connected to the mains and remains operational. This is a difference from the prior art, where the function of overvoltage shutdown is not verifiable.
  • comparison means 12 which comprise comparators 12a, b in the form of comparators, reference voltages 13, control inputs 14, status outputs 15, two parallel branches 17 and the input voltages 18 of the comparators.
  • Each branch 17 of the parallel circuit comprises a series connection of a first interrupting means 11 with a first comparing means 12 (FBLOCK1_1 and FBLOCK2_1) and a second interrupting means 11 with a second comparing means 12 (FBLOCK1_2 or FBLOCK2_2).
  • the first interrupting means 11 or comparison means 12 changes its state in accordance with a hysteresis depending on the course of the operating voltages 16, wherein the second interrupting means 11 or comparison means 12 holds the last switching state independent of the course of the operating voltages 16.
  • the comparators 12a, b of the first comparison means 12 are connected as Schmitt trigger and the comparators 12a, b of the second comparison means 12 connected to a self-holding circuit.
  • each comparison means 12 comprises two comparators 12a, 12b connected in parallel, which use a common reference voltage 13 and each comparator 12a, b has its own control input 14, the corresponding switching means 11 can be controlled manually either by means of the first 12a or the second comparator 12b. In addition, in this way the two independently generated operating voltages 16 can be monitored.
  • this Control logic is preferably programmable. However, this control logic is not shown here.
  • the control logic can detect the state of the interruption means 11 by means of the status outputs 15. There are two possible states here. The state “high” with the switches 11 closed or the state “low” with the switches 11 open. The low state can be achieved, for example, by means of resistance clamping at ground potential, while the high state corresponds to the voltage level of VCC_HOST.
  • the two mutually independent reference voltages 13 are used by the comparators in such a way that if one of the two reference voltages fails, a safe switch-off of the load is still guaranteed. For this reason, the reference voltage VREF1 is used in the first branch in FBLOCK1_1 and the reference voltage VREF2 is used in FBLOCK2_2. The situation is similar in the second branch. Except that here in FBLOCK2_1 the reference voltage VREF2 and in FBLOCK1_2 the reference voltage VREF1 is used. Should VREF1 fail, the switches S3 or S2 could still respond and take the load 10 from the network 16. If VREF2 fails, S1 and S4 are still available. This represents another important measure by which a safe shutdown is guaranteed.
  • An automatic test procedure (eg by the control logic implemented by means of an EPLD) initially controls all control inputs 14 (TEST_IN1-4) inactive in a first test cycle and checks the status outputs 15 (Test_OUT1-2) for a high potential. If this is true, this is a sign that the switches S1 / S2 are closed.
  • the control inputs 14 (TEST_IN1-4) are activated in sequence, with only one control input being active at a time while the other control input is inactive.
  • the associated status output Test_OUT1-2 is checked for low potential. Low potential is always present when one of the switches S1 or S2 has opened what indicates a fault-free state of the interruption means. If no error-free state is detected, an error indication must be made and / or a safe state must be approached, eg, opening of a switch 11 connected in series to a defective switch 11.
  • the self-test described is, in principle, a process which runs as long as the consumer is operated on the grid. The process could continue to run even when there is no consumer left on the grid to ensure that there is no malfunction before turning on a load. In order to additionally ensure the smooth operation of the monitoring process itself, it is recommended to implement a watchdog function which further increases the functional reliability of the overall arrangement.
  • the consumer 10 is the safety part of a safety controller.

Description

  • Die Erfindung entspringt dem Gebiet der elektrischen Schaltungstechnik und beschreibt ein Verfahren zur Überwachung der Versorgungsspannung eines Verbrauchers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Schaltungsanordnungen zur Abschaltung bei Überstrom oder Überspannung zum Schutz eines angeschlossenen Verbrauchers sind prinzipiell bekannt. Eine solche Anordnung zeigt beispielsweise die deutsche Patentschrift DE 2504648 C2 . Würden derartige Schaltungen zur Überwachung von Verbrauchern in der Sicherheitstechnik, beispielsweise für Sicherheitssteuerungen, verwendet, so würden diese den dort gestellten sehr hohen Anforderungen an die Betriebsbereitschaft und Funktionssicherheit nicht genügen. Derartige Geräte müssen die einschlägigen Normen erfüllen und werden von Zertifizierungsstellen, wie z.B. dem TÜV, zertifiziert.
  • Um die Normen zu erfüllen, ist unter anderem eine Sicherstellung der Betriebsbereitschaft der Überspannungsüberwachung bzw. Überspannungsabschaltung erforderlich. Um dies zu gewährleisten sind Lösungen bekannt, die beim Versagen der Überspannungsabschaltung durch weitere Massnahmen einen sicheren Zustand erreichen. Diese haben allerdings den Nachteil, dass es zwischen den ohnehin erforderlichen beiden Kanälen eine Spannungsentkopplung geben muss. Des weiteren bleibt im beschriebenen Fehlerfall ein Kanal im Zustand Überspannung, welches zur Zerstörung oder Beschädigung des Verbrauchers führen kann.
  • Die Druckschrift US 5 956 218 A betrifft einen Fehlerstromschutzschalter mit automatischer Überwachungseinrichtung und jeweils einem Summenstromwandler, einem Magnetauslöser und einem Schaltwerk mit zwei Hauptstromkontakten, wobei ein erster Hauptstromkontakt für eine erste Netzleitung und ein zweiter Hauptstromkontakt für eine zweite Netzleitung vorgesehen ist. Dabei werden diese beiden Hauptstromkontakte durch einen Stößel des Magnetauslösers immer gemeinsam betätigt, so dass entweder immer beide Hauptstromkontakte gleichzeitig geöffnet oder geschlossen sind. Somit ist eine Überwachung beider Netzleitungen durch das Schaltwerk durch gleichzeitiges Schließen oder Öffnen beider Netzleitungen durch jeweils einen Hauptstromkontakt möglich. Dem Schaltwerk ist ein Bypass parallel geschaltet - Schalt werk und Bypass sind abwechselnd austenerbar und werden überwacht. Der Bypass ist nicht durch Überstrom bzw.-spannung aktivierbar.
  • Die Druckschrift US 5 742 513 A betrifft ein Verfahren und ein System zum automatischen Testen eines Relays. Falls hierbei ein Fehler entdeckt wird, übermittelt ein Schutzrelay über eine Zuleitung ein entsprechendes Signal an Stromkreisunterbrecher. Dabei dienen diese Stromkreisunterbrecher als Schalter, die verhindern, dass der detektierte Fehler sich fortpflanzen kann und somit möglicherweise größeren Schaden anrichtet. Allerdings sind die Stromkreisunterbrecher durch das eine Signal simultan zu schalten.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung bzw. Abschaltung der Energieversorgung eines Verbrauchers bereitzustellen, wobei die Funktion der Überwachungsvorrichtung bezüglich der Erkennung eines fehlerhaften Stromes und/oder einer fehlerhaften Spannung stets sicher gewährleistet sein soll.
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Unterbrechungsmittel während des Betriebes des Verbrauchers erfolgt. Damit kann eine fehlerbehaftete Überwachung der Energieversorgung des Verbrauchers auch während des Betriebes sicher erkannt und ein Defekt eines Unterbrechungsmittels (Schalter/Schütze/Leistungshalbleiter) frühzeitig signalisiert werden.
  • Erfolgt die Überprüfung der Unterbrechungsmittel periodisch und dauerhaft, vorzugsweise während der gesamten Betriebsdauer des Verbrauchers, so ist eine permanente Überwachung gewährleistet, was die Sicherheit weiter erhöht. Theoretisch wäre es auch denkbar die Überwachung so auszugestalten, dass bei verminderter Sicherheit die Kontrolle der Schaltmittel nur von Zeit zu Zeit erfolgt.
  • Bevorzugt werden die Unterbrechungsmittel nach Maßgabe einer Rangfolge überprüft, so dass bei Erkennen eines fehlerhaften Unterbrechungsmittels aufgrund der Rangfolge eine einfache und sofortige Zuordnung möglich ist.
  • Ganz besonders bevorzugt erfolgt bei fehlender Funktionstüchtigkeit eines Unterbrechungsmittels eine Fehlerindikation und/oder es wird ein sicherer Zustand herbeigeführt. Die Fehlerindikation alarmiert den Bediener frühzeitig, so dass Gegenmaßnahmen bzw. Reparaturen eingeleitet werden können. Das Erreichen eines sicheren Zustandes wird durch die Wegnahme des Verbrauchers vom Netz bewirkt, so dass auf alle Fälle vermieden wird, dass eine Überspannung zum Verbraucher gelangt, oder eine Überstromsituation bestehen bleibt. Selbstverständlich ist auch die Kombination beider Maßnahmen möglich, so dass bei der Abschaltung des Verbrauchers zusätzlich eine Fehlerindikation erfolgt. Der sichere Zustand ist stets so auszulegen, dass dem Verbraucher kein Schaden zugeführt wird.
  • Vorteilhafterweise wird der Überwachungsvorgang ebenfalls überwacht, beispielsweise mittels eines Hardware- oder Software-Watchdogs, so dass auch ein Ausfall der Überwachung ― aus welchen Gründen auch immer ― sicher erkannt werden kann. Dies bewirkt eine zusätzliche Steigerung der Betriebssicherheit.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwei Unterbrechungsmittel parallel geschaltet sind und jedes Unterbrechungsmittel von einem Vergleichsmittel angesteuert wird, wobei Steuermittel vorgesehen sind, um die Unterbrechungsmittel manuell anzusteuern und eine Statusmeldung vorgesehen ist, um den Zustand der Unterbrechungsmittel zu erfassen.
  • Die parallele Anordnung von Schaltern oder sonstigen Mitteln zur Unterbrechung eines elektrischen Kontaktes, wozu prinzipiell auch Halbleiter wie Transistoren oder Relais zählen, bewirkt, dass ein redundanter Pfad zur Versorgung des Verbrauchers entsteht. Die Vergleichsmittel, zum Beispiel als Komparatoren beschaltete Operationsverstärker, ermöglichen den Vergleich der zu überwachenden Größe (Strom/Spannung) mit Hilfe einer Referenzgröße, also beispielsweise einer Referenzspannung oder eines Referenzstromes. Je nach Ergebnis des Vergleichs kann über das Ausgangssignal des Vergleichsmittels eine Aktion gestartet werden. Im Sinne der Erfindung würde man bei überhöhter Versorgungsspannung alle Unterbrechungsmittel aktivieren bzw. alle Schalter öffnen, so dass der Verbraucher sofort vom Netz getrennt wird. Die manuelle Ansteuermöglichkeit bewirkt, dass ein Unterbrechungsmittel auch ohne tatsächlich vorhandene Störung betätigt werden kann. Unter manuell soll hier nicht etwa nur ein Handbetrieb verstanden werden - welcher theoretisch zwar möglich wäre, aber praktisch kaum in Frage kommt - vielmehr ist hierunter die autarke Ansteuermöglichkeit der Unterbrechungsmittel unabhängig von einer zu überwachenden Größe gemeint. Diese Ansteuermöglichkeit in Verbindung mit der parallelen und redundanten Leitungsführung ermöglicht einen Test der Unterbrechungsmittel während des Betriebes des Verbrauchers, indem abwechselnd immer nur ein Unterbrechungsmittel eines Zweiges betätigt wird, so dass die Versorgung des Verbrauchers über den parallelen zweiten Zweig stets sichergestellt ist. Mittels der Statusmeldung in Form eines elektrischen analogen oder digitalen Abgriffes oder einer akustischen oder optischen Anzeige kann überprüft werden, ob das Unterbrechungsmittel korrekt arbeitet. Zusätzlich bewirkt die Erfindung, dass die Vergleichsmittel automatisch mitgetestet werden.
  • Vorteilhafterweise ist für jedes Vergleichsmittel eine unabhängige Referenzspannung vorgesehen, somit ist gewährleistet, dass bei Ausfall einer Referenzspannung und damit eines Zweiges noch der zweite Zweig verwendbar ist, um zum Beispiel ein nicht mehr ansteuerbares Unterbrechungsmittel zu überbrücken.
  • Besonders empfohlen wird, dass jeder Zweig der oben genannten Parallelschaltung eine Serienschaltung von einem ersten Unterbrechungsmittel mit einem ersten Vergleichsmittel und einem zweiten Unterbrechungsmittel mit einem, zweiten Vergleichsmittel umfasst. Sollte ein Unterbrechungsmittel innerhalb eines Zweiges ausfallen und nicht mehr in der Lage sein den Verbraucher vom Netz zu nehmen, so kann dies aufgrund der Serienschaltung noch mittels des zweiten Unterbrechungsmittels gewährleistet werden.
  • Empfehlenswert ist weiterhin, dass das erste Unterbrechungsmittel seinen Zustand nach Maßgabe einer Hysterese abhängig von dem Verlauf der Versorgungsspannung ändert, wobei das zweite Unterbrechungsmittel den letzten Schaltzustand unabhängig vom Verlauf der Versorgungsspannung hält. Die Hysterese kann beispielsweise mittels eines Schmitt-Triggers und die Beibehaltung des letzten Schaltzustandes mittels einer Selbsthalteschaltung realisiert werden. Die Hysterese deckt dabei einen bestimmten Toleranzbereich ab, in dem sich die zu überwachende Größe bewegen darf, ohne eine Abschaltung des Verbrauchers zu bewirken. Die Selbsthalteschaltung vermeidet, dass ein einmal abgeschalteter Verbraucher erneut automatisch wieder ans Netz genommen wird, bevor eine Fehlerbehebung erfolgt ist. Die Selbsthalteschaltung verhindert außerdem ein Schwingen der Versorgungsspannung zwischen der unteren und oberen Schaltschwelle des Schmitt-Triggers.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zwei oder auch mehrere unterschiedliche Versorgungsspannungen überwacht werden, indem jedes Vergleichsmittel wiederum zwei bzw. mehrere Vergleicher umfasst, wobei die Vergleicher parallel geschaltet sind und eine gemeinsame - oder auch unterschiedliche oder mehrere gleiche - Referenzspannungen nutzen und jeder Vergleicher einen eigenen Steuereingang umfasst, so dass das korrespondierende Umschaltmittel entweder mittels des ersten oder des zweiten bzw. N-ten Vergleichers manuell ansteuerbar ist. Somit kann eine zentrale Energieversorgung, welche die Versorgungsspannung zur Erzeugung verschiedener weiterer zu überwachender Spannungen liefert, bereits auch dann abgeschaltet werden, wenn eine der beiden Versorgungsspannungen ihre zulässigen Toleranzen über- oder unterschreitet. Soll der letztgenannte Fall ebenfalls abgedeckt werden, so ist die einfache Komparatorschaltung mittels einer Fensterkomparatorschaltung zu ersetzen.
  • Des weiteren muss eine entsprechende Erweiterung der Steuereingänge vorgesehen werden, sowie eine spezielle Anlaufschaltung, die beim Einschalten diese Logik für eine bestimmte Zeit außer Kraft setzt. Begründung: Die Unterspannungsabschaltung muss beim Einschalten kurzzeitig außer Funktion gesetzt werden, um ein Anlaufen überhaupt zu ermöglichen.
  • Bevorzugt ist eine Steuerlogik zur Ansteuerung der Steuereingänge vorgesehen , wobei diese Steuerlogik vorzugsweise programmierbar ist. Die Steuerlogik kann mittels einer programmierbaren Hardware (EPLD, FPGA, etc.) oder mittels eines Mikroprozessors realisiert werden. Der Mikroprozessor hat den Vorteil, dass das Steuerprogramm einfach abgeändert werden kann, während Änderungen bei einer programmierbaren Hardware mit größerem Aufwand einhergehen. Wenn die Steuerlogik zusätzlich den Zustand der Unterbrechungsmittel mittels der Statutsausgänge erfasst, kann diese das Testergebnis gleichzeitig auswerten und den Ablauf des Tests abhängig vom Ergebnis dieser Auswertung beeinflussen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Referenzspannung und die Eingangsspannung oder auch weitere denkbare Spannungen der Vergleichsmittel digitalisiert und zusätzlich überwacht werden. Die Überwachung könnte beispielsweise mittels eines Computerprogramms erfolgen. Es wird damit eine zusätzliche Kontrollmöglichkeit der Referenzspannungen und der Eingangsspannungen gewährleistet, um einen fehlerhaften Vergleich durch falsche Spannungswerte - hervorgerufen durch z.B. Bauteildrift, Leiterbahnunterbrechungen, Alterung, Temperaturdrift etc. - frühzeitig zu erkennen.
  • Ganz empfehlenswert ist es, die Versorgungsspannung des Sicherheitsteiles einer Sicherheitssteuerung mittels einer erfindungsgemäßen Lösung zu überwachen. Bei Sicherheitssteuerungen gelten sehr strenge Maßstäbe und hohe Anforderungen bezüglich der Betriebssicherheit. Die Erfindung leistet einen Beitrag zur Erfüllung dieser Anforderungen.
  • Die Erfindung wird im' Folgenden anhand des in der Figur 1 dargestellten Schaltungsbeispiels schematisch erläutert. In Figur 1 sind nur die für die Erfindung relevanten Komponenten gezeigt. Es versteht sich von selbst, dass die verwendeten elektronischen Bauteile noch gemäß ihrer Datenblätter zu beschalten und mit entsprechenden Versorgungsspannungen zu betreiben sind.
  • Figur 1 zeigt eine zweikanalige Überwachung für zwei aus einer gemeinsamen Versorgungsspannung VCC_HOST erzeugte Betriebsspannungen 16 für einen Verbraucher 10, wobei die Schalter 11 zur Unterbrechung der Versorgungsspannung VCC_HOST online überwacht werden. Online bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Überwachung erfolgt, während der Verbraucher 10 am Netz angeschlossen und betriebsbereit bleibt. Dies ist ein Unterschied zum Stand der Technik, wo die Funktion der Überspannungsabschaltung nicht überprüfbar ist. Im Detail sind gezeigt: Vergleichsmittel 12, welche Vergleicher 12a,b in Form von Komparatoren umfassen, Referenzspannungen 13, Steuereingänge 14, Statusausgänge 15, zwei parallele Zweige 17 und die Eingangsspannungen 18 der Komparatoren.
  • Jeder Zweig 17 der Parallelschaltung umfasst eine Serienschaltung von einem ersten Unterbrechungsmittel 11 mit einem ersten Vergleichsmittel 12 (FBLOCK1_1 bzw. FBLOCK2_1) und einem zweiten Unterbrechungsmittel 11 mit einem zweiten Vergleichsmittel 12 (FBLOCK1_2 bzw. FBLOCK2_2). Das erste Unterbrechungsmittel 11 bzw. Vergleichsmittel 12 ändert seinen Zustand nach Maßgabe einer Hysterese abhängig von dem Verlauf der Betriebsspannungen 16, wobei das zweite Unterbrechungsmittel 11 bzw. Vergleichsmittel 12 den letzten Schaltzustand unabhängig vom Verlauf der Betriebsspannungen 16 hält. Hierzu sind die Komparatoren 12a,b des ersten Vergleichsmittels 12 als Schmitt-Trigger beschaltet und die Komparatoren 12a,b des zweiten Vergleichsmittels 12 mit einer Selbsthalteschaltung beschaltet.
  • Indem jedes Vergleichsmittel 12 zwei parallel geschaltete Komparatoren 12a, b umfasst, welche eine gemeinsame Referenzspannung 13 nutzen und jeder Vergleicher 12a, b einen eigenen Steuereingang 14 umfasst, kann das korrespondierende Umschaltmittel 11 entweder mittels des ersten 12a oder des zweiten Vergleichers 12b manuell angesteuert werden. Zusätzlich können auf diese Weise die zwei voneinander unabhängig erzeugten Betriebsspannungen 16 überwacht werden. Normalerweise wird man eine Steuerlogik zur Ansteuerung der Steuereingänge 14 vorsehen, wobei diese Steuerlogik vorzugsweise programmierbar ist. Diese Steuerlogik ist hier jedoch nicht gezeigt. Die Steuerlogik kann den Zustand der Unterbrechungsmittel 11 mittels der Statutsausgänge 15 erfassen. Es gibt hier zwei mögliche Zustände. Den Zustand "High" bei geschlossenen Schaltern 11 oder den Zustand "Low" bei offenen Schaltern 11. Der Low-Zustand kann beispielsweise mittels Widerstandsklemmung auf Erdpotential erreicht werden, während der High-Zustand dem Spannungspegel von VCC_HOST entspricht.
  • Es bietet sich zusätzlich an die Referenzspannungen 13 und die Eirigangsspannungen 18 mittels eines AD-Wandlers zu digitalisieren und von einer Software überwachen zu lassen. Auch das ist in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
  • Die beiden voneinander unabhängigen Referenzspannungen 13 (VREF1 und VREF2) werden derart von den Vergleichern verwendet, dass bei Ausfall einer der beiden Referenzspannungen stets noch ein sicheres Abschalten des Verbrauchers gewährleistet ist. Aus diesem Grunde wird im ersten Zweig in FBLOCK1_1 die Referenzspannung VREF1 und in FBLOCK2_2 die Referenzspannung VREF2 verwendet. Ähnlich verhält es sich im zweiten Zweig. Nur dass hier in FBLOCK2_1 die Referenzspannung VREF2 und in FBLOCK1_2 die Referenzspannung VREF1 verwendet wird. Sollte nun VREF1 ausfallen, so könnten noch die Schalter S3 oder S2 ansprechen und den Verbraucher 10 vom Netz 16 nehmen. Sofern VREF2 ausfällt stehen noch S1 und S4 zur Verfügung. Dies stellt eine weitere wichtige Maßnahme dar, durch welche ein sicheres Abschalten gewährleistet wird.
  • Ein automatischer Testablauf entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens (z.B. durch die mittels eines EPLD's implementierte Steuerlogik) steuert in einem ersten Testzyklus zunächst alle Steuereingänge 14 (TEST_IN1-4) inaktiv und überprüft dabei die Statusausgänge 15 (Test_OUT1-2) auf High-Potential. Sofern dies erfüllt ist, ist das ein Zeichen dafür, dass die Schalter S1/S2 geschlossen sind. Im zweiten Testzyklus werden die Steuereingänge 14 (TEST_IN1-4) der Reihe nach aktiviert, wobei immer nur ein Steuereingang aktiv ist, während der andere Steuereingang inaktiv ist. Dabei wird der zugehörige Statusausgang Test_OUT1-2 auf Low-Potentioal überprüft. Low-Potential ist immer dann gegeben, wenn einer der Schalter S1 oder S2 geöffnet hat, was einen fehlerfreien Zustand der' Unterbrechungsmittel kennzeichnet. Sollte kein fehlerfreier Zustand erkannt werden, so muss eine Fehlerindikation erfolgen und/oder ein sicherer Zustand angefahren werden, z.B. Öffnen eines zu einem defekten Schalter 11 in Reihe geschalteten Schalters 11.
  • In diesem Anwendungsbeispiel werden nur die Schalter S1/S2 auf Funktion geprüft, da es im Prinzip zur Herstellung eines sicheren Zustandes ausreichend ist, wenn die Schalter S1 und S2 sicher funktionieren. Selbstverständlich könnte man die den Schaltern S3 und S4 zugeordneten Komparatoren 12a,b ebenfalls mit Testeingängen versehen und die Schaltung derart erweitern, dass auch die Funktion von S3/S4 sicher überprüfbar wird.
  • Der geschilderte Selbsttest ist im Prinzip ein Prozess, welcher solange autark läuft, wie der Verbraucher am Netz betrieben wird. Der Prozess könnte auch dann noch laufen, wenn kein Verbraucher mehr am Netz hängt, um vor Anschalten eines Verbrauchers sicherzustellen, dass keine Fehlfunktion vorherrscht. Um zusätzlich den reibungslosen Betrieb des Überwachungsprozesses an sich zu gewährleisten wird empfohlen, eine Watchdog - Funktion zu implementieren, welche die Funktionssicherheit der Gesamtanordnung weiter erhöht.
  • In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Verbraucher 10 um das Sicherheitsteil einer Sicherheitssteuerung.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbraucher
    11
    Unterbrechungsmittel S1-S4
    12
    Vergleichsmittel mit Vergleicher 12a, b
    13
    Referenzspannung VREF1und VREF2
    14
    Steuermittel TEST_IN1-4
    15
    Statusausgänge TEST_OUT1-2
    16
    Betriebsspannung
    17
    Schaltungszweig
    18
    Eingangsspannung

Claims (14)

  1. Verfahren zur Überwachung der Energieversorgung (16) eines Verbrauchers (10)
    - mittels eines ersten Unterbrechungsmittels (11) zur Unterbrechung der Verbindung zum Verbraucher (10), wobei die Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des ersten Unterbrechungsmittels (11) während des Betriebes des Verbrauchers (10) erfolgt, wobei eine zu überwachende Grösse, wie Strom oder Spannung, mit Hilfe einer Referenzgrösse durch erste Vergleichsmittel (12) verglichen wird und das erste Unterbrechungsmittel aktiviert wird, wenn die zu überwachende Grösse die Referenzgrösse überschreitet,
    - mittels eines zweiten Unterbrechungsmittels (11) zur Unterbrechung der Verbindung zum Verbraucher (10), wobei die Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des zweiten Unterbrechungsmittels (11) während des Betriebes des Verbrauchers (10) erfolgt,
    wobei die Unterbrechungsmittel (11) parallel geschaltet sind und unabhängig von der zu überwachenden Grösse autark angesteuert werden, wobei abwechselnd immer nur ein Unterbrechungsmittel (11) der Parallelschaltung angesteuert wird, so dass die Versorgung des Verbrauchers (10) über das parallelgeschaltete Unterbrechungsmittel stets sichergestellt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zweite Unterbrechungsmittel derart ausgebildet ist, dass eine zu überwachende Grösse, wie Strom oder Spannung, mit Hilfe einer Referenzgrösse (13) durch zweite Vergleichsmittel (12) verglichen wird und das zweite Unterbrechungsmittel (11) aktiviert wird, wenn die zu überwachende Grösse die Referenzgrösse überschreitet, und
    dass die Unterbrechungsmittel mittels dem jeweils zugeordneten Vergleichsmittel (12) unabhängig von der zu überwachenden Grösse autark angesteuert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung periodisch und dauerhaft, vorzugsweise während der gesamten Betriebsdauer des Verbrauchers (10), erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsmittel (11) nach Massgabe einer Rangfolge überprüft werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlender Funktionstüchtigkeit eines Unterbrechungsmittels (11) eine Fehlerindikation erfolgt und/oder ein sicherer Zustand herbeigeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität der Überwachung ebenfalls überwacht wird.
  6. Vorrichtung zur Überwachung der Energieversorgung (16) eines Verbrauchers (10)
    - mittels eines ersten Unterbrechungsmittels (11, S1, S3) zur Unterbrechung der Verbindung zum Verbraucher (10), derart ausgebildet, dass eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des ersten Unterbrechungsmittels (11) während des Betriebes des Verbrauchers (10) durchführbar ist, wobei eine zu überwachende Grösse, wie Strom oder Spannung, mit Hilfe einer Referenzgrösse (13) durch erste Vergleichsmittel (12, FBLOCK1_1, FBLOCK2_2) vergleichbar ist und das erste Unterbrechungsmittel aktivierbar ist, wenn die zu überwachende Grösse die Referenzgrösse überschreitet, und
    - mittels eines zweiten Unterbrechungsmittels (11, S2, S4) zur Unterbrechung der Verbindung zum Verbraucher (10), derart ausgebildet, dass eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des zweiten Unterbrechungsmittels (11) während des Betriebes des Verbrauchers (10) durchführbar ist,
    wobei die Unterbrechungsmittel (11; S1, S3 bzw. S2, S4) parallel geschaltet sind und unabhängig von der zu überwachenden Grösse autark ansteuerbar sind, wobei abwechselnd immer nur ein Unterbrechungsmittel (11) der Parallelschaltung ansteuerbar ist, so dass die Versorgung des Verbrauchers (10) über das parallelgeschaltete Unterbrechungsmittels stets sichergestellt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Unterbrechungsmittel derart ausgebildet ist, dass eine zu überwachende Grösse, wie Strom oder Spannung, mit Hilfe einer Referenzgrösse (13) durch zweite Vergleichsmittel (12, FBLOCK2_1, FBLOCK1_2) vergleichbar ist und das zweite Unterbrechungsmittel (11) aktivierbar ist, wenn die zu überwachende Grösse die Referenzgrösse überschreitet, und
    dass die Unterbrechungsmittel (11) mittels dem jeweils zugeordneten Vergleichsmittel (12) unabhängig von der zu überwachenden Grösse autark ansteuerbar sind.
  7. Spannungsüberwachung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Vergleichsmittel (12) eine unabhängige Referenzspannung (13) vorgesehen ist.
  8. Spannungsüberwachung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zweig (17) der Parallelschaltung eine Serienschaltung von einem ersten Unterbrechungsmittel (11) mit einem ersten Vergleichsmittel (12) und einem zweiten Unterbrechungsmittel (11) mit einem zweiten Vergleichsmittel (12) umfasst.
  9. Spannungsüberwachung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Unterbrechungsmittel (11) seinen Zustand nach Massgabe einer Hysterese abhängig von dem Verlauf der Versorgungsspannung ändert, wobei das zweite Unterbrechungsmittel (11) den letzten Schaltzustand unabhängig vom Verlauf der Versorgungsspannung hält.
  10. Spannungsüberwachung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N unterschiedlicher Versorgungsspannungen überwacht werden, indem jedes Vergleichsmittel (12) N Vergleicher (12a,b) umfasst, wobei diese parallel geschaltet sind eine Referenzspannung (13) nutzen und jeder Vergleicher (12a, b) einen eigenen Steuereingang (14) umfasst, so dass das korrespondierende Umschaltmittel (11) mittels wenigstens eines Vergleichers (12a,b) manuell ansteuerbar ist.
  11. Spannungsüberwachung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerlogik zur Ansteuerung der Steuereingänge (14) vorgesehen ist, wobei diese Steuerlogik vorzugsweise programmierbar ist.
  12. Spannungsüberwachung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik den Zustand der Unterbrechungsmittel (11) mittels der Statutsausgänge (15) erfasst.
  13. Spannungsüberwachung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (13) und die Eingangsspannung (17) der Vergleichsmittel (12) zusätzlich überwacht wird.
  14. Spannungsüberwachung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (16) das Sicherheitsteil (10) einer Sicherheitssteuerung überwacht.
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